激光能量直接沉積時(shí)原位測(cè)量熔池橫截面和晶粒方向

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：掌握激光能量直接沉積（L-DED）過程中的熔池的行為對(duì)于預(yù)測(cè)和控制熔池的質(zhì)量至關(guān)重要。早期的工作主要聚焦于觀察熔池的表面特征。在這里，來自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究人員采用同軸影像系統(tǒng)來確定高速激光能量直接沉積時(shí)熔池的橫截面和預(yù)測(cè)晶粒的生長(zhǎng)方向。

對(duì)影像處理程序、沉積道的橫截面的預(yù)測(cè)以及熔池形狀和熔池動(dòng)力學(xué)、晶粒生長(zhǎng)方向之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，可以獲得清晰明確的熔池邊緣，以至于可以實(shí)現(xiàn)熔池的預(yù)測(cè)，其精度超過95%。預(yù)測(cè)熔池長(zhǎng)度時(shí)其精度可達(dá)90%。基于實(shí)驗(yàn)得到的熔池寬度和深度的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)的熔池長(zhǎng)度，其準(zhǔn)確性可以達(dá)到92%，同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配較好。熔池的形成可以有助于預(yù)測(cè)凝固過程中的晶粒生長(zhǎng)的方向。

實(shí)驗(yàn)所用的激光熔覆沉積加工頭和粉末流速的強(qiáng)度分布圖

激光能量直接沉積（L-DED）是一種近凈成形的增材制造技術(shù)，可以采用層層堆積的方式來制造三維實(shí)體。這一技術(shù)利用激光束流產(chǎn)生產(chǎn)生熔池來熔化輸送的粉末/絲，可同軸輸送也可以旁軸輸送。L-DED的典型應(yīng)用包括激光熔覆、增材和部件的修復(fù)等。已經(jīng)有許多關(guān)于L-DED的研究是研究工藝參數(shù)對(duì)沉積道形狀和如何排除缺陷以及顯微組織特征和沉積層或沉積部件的性能的研究。

實(shí)驗(yàn)所需要的影像系統(tǒng)的示意圖

圖解：a同軸相機(jī)的安裝；b旁軸相機(jī)的安裝；c旁軸相機(jī)影像系統(tǒng)觀察到的熔池形貌；d激光束和粉末流在加工區(qū)域的示意圖；e視覺區(qū)域穿過送粉嘴時(shí)的視覺尺寸

為了獲得較高的沉積速率和較高的粉末利用率，早期的一些研究學(xué)者開展了高速激光能量直接沉積技術(shù)（HDR-L-DED）。為了提高材料的 利用率，高的激光能量是必須的。Tuominen等人使用15KW的光纖激光來熔覆In625合金，粉末的利用率為15.6kg/h。已經(jīng)有大量的工作是將額外的熱源如電弧感應(yīng)加熱技術(shù)同激光技術(shù)整合在一起來增加熔化材料時(shí)的熱輸入。曾曉雁等人則將激光和感應(yīng)加熱結(jié)合在一起來增加熱輸入，此時(shí)的工作還同時(shí)實(shí)現(xiàn)了提高沉積速率的目標(biāo)。此時(shí)的粉末輸送速率為75.6g/min（粉末為NiCrBSi和WC的混合粉末），激光掃描速度為2200mm/min。

單道沉積時(shí)的熔覆道和采用3D掃描的測(cè)量位置

需要注意的是，以往的研究中其粉末的利用率為60-80%，因此，繼續(xù)提高粉末的利用率還是有很大的提升空間的，這樣可以提高粉末的利用率和減少材料的浪費(fèi)。來自德國(guó)ILT激光研究所的研究人員發(fā)展了一種高速激光熔覆工藝，粉末的利用效率可以超過90%，激光掃描速度可以超過200m/min。，且在熔覆的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)粉末在到達(dá)基材之前熔化粉末。該技術(shù)的原理在于增加粉末束和粉末之間相互作用的時(shí)間，這樣粉末就會(huì)受到激光作用而獲得更高的溫度，這樣進(jìn)入熔池的粉末就更容易被熔池所捕獲。Zhong等人研究了高速激光熔覆的熔覆方面的應(yīng)用和In718的3D打印。他們的研究包括工藝參數(shù)對(duì)沉積層缺陷的影響、粉末流的特征和沉積質(zhì)量的關(guān)系以及凝固材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能等。Schoppoven等人則優(yōu)化了超高速激光熔覆作為一種涂層技術(shù)的工藝參數(shù)。他們的研究結(jié)果表明超高速激光熔覆可以作為鍍鉻涂層技術(shù)和用于耐磨涂層、耐蝕涂層的熱噴涂技術(shù)的替代工藝。然而，將超高速激光能量直接沉積技術(shù)用于多層沉積的研究還比較少。在L-DED工藝過程中，沉積道的形態(tài)特征是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接影響著制造的精細(xì)特征和用于多道、多層沉積時(shí)的工藝參數(shù)，包括搭接時(shí)的間距和粉末噴嘴到工件表面的距離等。已經(jīng)有大量的分析模型用于單道沉積和多道沉積的分析。這些研究基本用于描述橫截面的形態(tài)。研究時(shí)基本是熔覆后熔道的尺寸測(cè)量，而這并不是一種在線過程。

測(cè)量的熔池寬度和熔覆道寬度的比較

然而，在金屬沉積的過程中，熔覆道的形態(tài)由于熱積累或工藝的波動(dòng)造成它并不是均勻的。對(duì)熔覆道的形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算有助于實(shí)時(shí)調(diào)整搭接間距或?qū)崟r(shí)調(diào)整激光頭距離加工表面的距離。

測(cè)量和估計(jì)的熔池長(zhǎng)度的對(duì)比

同傳統(tǒng)的L-DED工藝相比較，在HDR-L-DED工藝過程中，會(huì)產(chǎn)生更多的熱積累和生成更大的熔池體積。對(duì)增材制造而言，尤其是當(dāng)大尺寸部件或復(fù)雜形狀的部件進(jìn)行制造時(shí)，熱積累和工藝的波動(dòng)的問題就會(huì)顯著的影響產(chǎn)品的性能。

當(dāng)更多的熔池材料進(jìn)行沉積的時(shí)候，添加的材料對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)的影響非常顯著。相應(yīng)地，對(duì)HDR-L-DED工藝過程中的監(jiān)測(cè)和控制就顯得非常重要。最常見的測(cè)控熔池相關(guān)特征的參數(shù)是溫度和尺寸。

熔覆道的橫截面和擬合的熔覆道的形態(tài)

測(cè)量和估計(jì)得到的熔覆道高度的比較

目前盡管有大量的工作是關(guān)于同軸相機(jī)用于L-DED工藝過程的監(jiān)測(cè)，很少有觀察熔池的圖像和熔池的橫截面或凝固材料顯微組織行為之間關(guān)系的研究。而且，沒有關(guān)于HDR-L-DED工藝中同軸視覺監(jiān)測(cè)方面的報(bào)道。

多道熔覆沉積時(shí)得到的橫截面及其擬合曲線

在這里，來自曼徹斯特大學(xué)大學(xué)的研究人員為我們展示了高速沉積過程中同軸原位影像系統(tǒng)和提出了一種預(yù)測(cè)單道和多道沉積時(shí)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)橫截面形態(tài)的方法。熔池動(dòng)力學(xué)和熔池特征、材料凝固時(shí)晶粒生長(zhǎng)之間的關(guān)系也進(jìn)行了討論。

由于HDR-L-DED工藝一般用于大熔池的制造過程，所以對(duì)用于熔池邊界適應(yīng)性的工藝來估計(jì)熔池尺寸。

在TS為10mm/s時(shí)預(yù)測(cè)的凝固速率和晶體生長(zhǎng)方向的對(duì)比

論文取得的主要研究成果如下：

• 在高速激光能量直接沉積時(shí)原位監(jiān)控熔池的橫截面形狀；
• 原位監(jiān)控材料凝固時(shí)的晶粒生長(zhǎng)方向；
• 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)其準(zhǔn)確性可以超過90%
  

文章來源：In-process measurement of melt pool cross-sectional geometry and grain orientation in a laser directed energy deposition additive manufacturing process，https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106280，Optics & Laser Technology，Volume 129, September 2020, 106280